行星轮式巡视器无滑移率条件下纵向滑移与滑转的统一建模研究

推荐：针对行星巡视器在巨波纹地形中因车轮纵向滑移(slip)与滑转(skid)导致的运动状态评估难题，研究人员通过引入切换函数和履刺效应系数(grouser effect coefficient)，建立了无滑移率(slip ratio)的平滑轮与履刺轮统一动力学模型。实验验证表明，该模型对牵引力(drawbar pull)的预测误差分别低于19.7%和22.37%，解决了传统理论中地形参数估计不连续的问题，为巡视器在线控制优化提供了新方法。

　　

在探索月球和火星等外星表面的过程中，行星轮式巡视器面临着复杂地形的严峻挑战。特别是当巡视器穿越巨波纹沉积地形(megaripple deposits)时，爬坡车轮会发生纵向滑移(longitudinal slip)，而下坡车轮则遭遇纵向滑转(longitudinal skid)，这种状态差异可能导致巡视器被困甚至任务失败。传统基于Bekker法向应力方程和Janosi剪切应力方程的轮地相互作用模型，由于采用滑移率(slip ratio)作为状态参数，在滑移与滑转切换时会出现地形力学参数估计不连续的问题，且滑移率的实时测量在野外环境中极为困难。

针对这一难题，哈尔滨工业大学(Harbin Institute of Technology)的研究团队在《Solid Earth Sciences》发表了一项创新研究。他们首先通过实验揭示了传统理论的局限性：当车轮运行状态从滑转变为滑移时，同一地形的等效剪切变形模量(shear deformation modulus)会出现数值跳变，修正沉陷指数(modified sinkage exponent)则产生非预期断裂。为突破这一瓶颈，研究人员创新性地采用切换函数(switching function)建立了无滑移率的平滑轮统一模型(smooth unified model)，其牵引力预测误差低于19.7%。进一步针对实际巡视器常用的履刺轮(grouser wheel)，通过引入履刺效应系数和等效半径(equivalent radius)，构建了履刺统一模型(grouser unified model)，将牵引力预测误差控制在22.37%以内。

关键技术方法包括：1)基于线性近似的应力方程简化；2)等效沉陷z_σ参考系转换；3)履刺效应系数量化；4)WH312履刺轮与HIT-LSS2测试平台的对比验证。

研究结果：

1. 传统轮地相互作用力学：实验证实传统模型在s≈0时存在参数估计不连续问题，滑移率定义式s=(1-v/rω)或(rω/v-1)无法满足统一建模需求。
2. 闭式解析模型：提出以等效沉陷z_σ为基准的线性应力方程，将剪应力τ和法向应力σ统一表示为z_σ(θ)的线性函数。
3. 平滑统一模型：通过方向因子sign(T)替代滑移率，建立仅依赖驱动力矩方向的统一预测模型。
4. 履刺统一模型：引入履刺效应系数C_g=1.2和等效半径r_e=1.1r，解决WH312履刺轮在320N载荷下的性能预测问题。

结论与意义：该研究首次实现了行星巡视器车轮滑移与滑转状态的统一建模，突破传统理论对滑移率的依赖，使地形参数估计具有连续性。提出的方向因子判据更适用于野外实时控制，为嫦娥工程等深空探测任务中的巡视器运动优化和地形评估提供了新方法。研究成果对提升巡视器在巨波纹等复杂地形的通过能力具有重要工程价值，相关建模思路可扩展至六轮协同控制等领域。